CN116622361A - 清洁压裂液组合物、清洁压裂液及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种清洁压裂液组合物、清洁压裂液及其制备方法和应用,属于油气化学剂技术领域。本申请清洁压裂液组合物包括芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱,本申请通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱的复配,能够使得各组分相互交联形成基于超分子结构的表面活性剂体系,从而使得各组分充分发挥效用的同时产生协同作用,使得压裂液体系具备优异的粘弹性能、稳定性能、流变性能和耐剪切性能,并且不再需要加入季铵盐阳离子表面活性剂和聚合物增稠剂,从而能够有效避免地层破坏和环境污染问题,并使得清洁压裂液具备与地层水配伍性良好的优点。
Description
技术领域
本申请属于油气化学剂技术领域,尤其涉及一种清洁压裂液组合物、清洁压裂液及其制备方法和应用。
背景技术
压裂作为油气井增产的措施之一,其通过向地层注入压裂液,使地层的裂缝扩大以及造成新的裂缝并填入支撑剂,从而提高地层的渗透率。其中,由于压裂液具备传递压力、形成地层裂缝和携带支撑剂进入裂缝的作用,从而使得其是影响压裂效果的关键因素。因此,开发性能优异、化学结构稳定且成本较低的压裂液体系是油气储层渗吸开采领域中亟待解决的问题。
清洁压裂液为在盐水中添加表面活性剂形成的一种低粘阳离子胶凝液。其中,可用的表面活性剂主要为含有饱和长链烷烃的阳离子表面活性剂和含有不饱和长链烷烃链的阳离子或两性表面活性剂。例如,公告号为CN 104710974B的专利公开了一种低聚表面活性剂清洁压裂液及其制备方法,其由低聚多烷基多季铵盐阳离表面活性剂、无机反离子、有机反离子和助溶剂组成;公布号为CN 115537193A的专利申请公开了一种高效清洁压裂液的制备方法及应用,其利用直链饱和脂肪酸、甲醇、3-二甲氨基丙胺、(3-溴丙基)三甲基溴化铵合成得到季铵盐表面活性剂之后,将该季铵盐表面活性剂与烷烃链长10-18的羧酸盐及无烷烃链的小分子羧酸盐复配成高效清洁压裂液,从而实现了低温稳定性好的效果,适宜长期储存。
但是,现有清洁压裂液中普通使用季铵盐阳离子表面活性剂和聚合物增稠剂,其中,季铵盐阳离子表面活性剂容易在地层中产生吸附,会对地层造成二次破坏;聚合物增稠剂则容易产生环境污染问题,并且影响压裂液的流变性能和耐剪切性能,极大限制清洁压裂液的实际应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种清洁压裂液组合物、清洁压裂液及其制备方法和应用,旨在解决现有清洁压裂液使用季铵盐阳离子表面活性剂和聚合物增稠剂所造成的地层破坏、环境污染,以及流变性能与耐剪切性能下降的技术问题。
为了实现上述目的,本申请的技术方案是:
本申请的第一方面提供一种清洁压裂液组合物。其中,所述清洁压裂液组合物包括芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱。
结合第一方面优选地,所述清洁压裂液组合物的组成为:
芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱,且所述芥酸酰丙基二甲胺、所述氨基酸、所述芥酸酰基氨基酸钠和所述芥酸基酰胺丙基甜菜碱的摩尔比为12:4.5:12:3-5。
结合第一方面优选地,所述芥酸酰丙基二甲胺为式[i]所示化合物:
其中,R1为芥酸基烷基。
结合第一方面优选地,所述氨基酸为天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸等氨基酸中的任一种。
结合第一方面优选地,所述芥酸酰基氨基酸钠为芥酸酰基肌氨酸钠、芥酸酰基甘氨酸钠、芥酸酰基谷氨酸钠等芥酸酰基氨基酸钠中的任一种。
结合第一方面优选地,所述芥酸酰基氨基酸钠的制备方法包括:
使芥酸与氯化磷反应,收获芥酸酰氯;
维持pH=10-12的条件下,使所述芥酸酰氯与氨基酸钠反应,即得所述芥酸酰基氨基酸钠。
结合第一方面优选地,所述芥酸基酰胺丙基甜菜碱为式[ii]所示化合物:
其中,R2为芥酸基烷基。
本申请的第二方面提供一种清洁压裂液,所述清洁压裂液是以第一方面所述清洁压裂液组合物作为有效成分制成。
本申请的第三方面提供第二方面所述清洁压裂液的制备方法,所述方法包括如下步骤:
使所述清洁压裂液组合物的各组分按照所述配比溶解于溶剂中,超声,即得所述清洁压裂液。
本申请的第四方面提供第二方面所述清洁压裂液在低渗透油气储层的压裂作业中的应用。
与现有技术相比,本申请实施例的优点或有益效果至少包括:
本申请第一方面提供的清洁压裂液组合物,其通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱的复配,能够使得各组分相互交联形成基于超分子结构的表面活性剂体系,从而使得各组分充分发挥效用的同时产生协同作用,一方面使得压裂液体系具备优异的粘弹性能、稳定性能、流变性能和耐剪切性能;另一方面,不再需要加入季铵盐阳离子表面活性剂和聚合物增稠剂等,从而能够有效避免地层破坏和环境污染问题,并使得清洁压裂液具备与地层水配伍性良好的优点;第三方面,该组合物中的原料均为无污染的降解性环保材料,有利于推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的清洁压裂液VES1-VES8的剪切粘度曲线图;
图2为本申请实施例提供的清洁压裂液DVES1-DVES5的剪切粘度曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在本实施例以下描述中,术语“和/或”用于描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,单独存在B和同时存在A和B的情况。其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本实施例以下描述中,术语“至少一个”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,“a,b或c中的至少一项(个)”,或,“a,b和c中的至少一项(个)”,均可以表示:a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c分别可以是单个,也可以是多个。
本领域技术人员应当理解,在本申请实施例以下描述中,序号的先后并不意味着执行顺序的先后,部分或全部步骤可以并行执行或先后执行,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
需要说明的是,本申请实施例中的所有原料和/或试剂均是在市场上购买或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备获得,例如,芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸和芥酸基酰胺丙基甜菜碱为通过市场购买获得。
在对本申请实施例进行详细的解释说明之前,先对本申请实施例的技术原理予以说明。
本申请实施例的清洁压裂液组合物通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱进行复配,能够使氨基酸分子中的羧基官能团与芥酸酰丙基二甲胺分子中的胺基发生质子化作用,从而可以利用氨基酸分子与芥酸酰丙基二甲胺的交联络合作用形成阳离子特性的双子结构的表面活性剂;同时,该阳离子特性的表面活性剂能够与阴离子表面活性剂芥酸酰基氨基酸钠、两性离子表面活性剂芥酸基酰胺丙基甜菜碱产生基于静电、氢键的相互吸引作用,从而形成一种具备超分子结构的表面活性剂体系,不仅有利于充分发挥各组分的功效,而且能够基于超分子结构产生协同作用,使得压裂液的粘弹性能、稳定性能、流变性能和耐剪切性能显著增强。
第一方面,本申请实施例提供了一种清洁压裂液组合物,该清洁压裂液组合物的组分包括芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱。
其中,通过氨基酸分子中的羧基与芥酸酰丙基二甲胺分子中的胺基发生质子化作用而产生交联作用,从而形成阳离子特性的双子结构的表面活性剂;同时,加入阴离子表面活性剂芥酸酰基氨基酸钠和两性离子表面活性剂芥酸基酰胺丙基甜菜碱,并通过阳离子表面活性剂均与阴离子表面活性剂、两性离子表面活性剂能够产生基于静电和氢键的相互吸引作用的特性,使得各组分进行交联形成超分子结构的表面活性剂体系,从而使得压裂液的粘弹性能、稳定性能、流变性能和耐剪切性能显著增强。
需要说明的是,本申请实施例提供了上文所述超分子结构的表面活性剂体系的两种可能的结构,具体参见[iii]和[iv]。
[iii]和[iv]中,R1为芥酸基烷基;R2为芥酸基烷基。
根据式[iii]和[iv]可知,本申请实施例通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱进行复配,能够利用原料分子中的官能团进行相互交联形成具备超分子结构的表面活性剂体系,从而有效提高压裂液的粘弹性能和稳定性能;同时,由于各组分不再以聚合物单体的形式游离于体系中,所以能够保持体系良好的流变性能和耐剪切性能。
具体实施例中,所述清洁压裂液组合物优选的组成为:
芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱,且所述芥酸酰丙基二甲胺、所述氨基酸、所述芥酸酰基氨基酸钠和所述芥酸基酰胺丙基甜菜碱的摩尔比为12mM:4.5mM:12mM:3-5mM。
其中,通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔比为12mM:4.5mM:12mM:3-5mM的复配,一方面能够使得氨基酸分子中的所有羧基均与芥酸酰丙基二甲胺的胺基发生质子化作用,从而充分发挥氨基酸分子的交联络合作用,得到具有阳离子特性的双子结构的表面活性剂;另一方面能够使得阳离子特性的双子结构的表面活性剂均与阴离子特性的表面活性剂、两性离子特性的表面活性剂产生基于静电和氢键的相互吸引作用,从而有效提高压裂液的粘弹性能和稳定性能的同时,避免体系中游离组分的发生,保证压裂液体系具备良好的流变性能和耐剪切性能。
具体实施例中,所述芥酸酰丙基二甲胺优选为式[i]所示化合物:
其中,R1为芥酸基烷基。
具体实施例中,所述氨基酸优选为天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸等氨基酸中的任一种。
具体实施例中,所述芥酸酰基氨基酸钠为芥酸酰基肌氨酸钠、芥酸酰基甘氨酸钠、芥酸酰基谷氨酸钠等芥酸酰基氨基酸钠中的任一种。
本申请实施例提供一种芥酸酰基氨基酸钠的制备方法,优选包括:
S10:使芥酸与氯化磷反应,收获芥酸酰氯。具体地,将芥酸加入具备冷凝回流器的烧瓶中之后,按照等摩尔比加入氯化磷(PCl3)进行反应,待反应完全以后分离去磷酸,即得芥酸酰氯。
S20:维持pH=10-12的条件下,使所述芥酸酰氯与氨基酸钠反应,即得所述芥酸酰基氨基酸钠。具体地,将氨基酸钠加入烧瓶中之后,通过第一滴液漏斗向烧瓶中滴加芥酸酰氯,以及通过第二滴液漏斗向烧瓶中滴加氢氧化钠水溶液以使烧瓶内的pH始终保持在10-12之间,待反应完全以后,即得芥酸酰基氨基酸钠。其中,所述氨基酸钠为肌氨酸钠、甘氨酸钠、谷氨酸钠等中的一种。
具体实施例中,所述甜菜碱表面活性剂为式[ii]所示化合物:
其中,R2为芥酸基烷基。
第二方面,本申请实施例还提供一种清洁压裂液,所述清洁压裂液是以第一方面所述清洁压裂液组合物作为有效成分制成。
其中,本申请实施例通过以第一方面所述清洁压裂液组合物作为有效成分制备清洁压裂液之后,基于上文所述清洁压裂液组合物能够形成基于超分子结构的表面活性剂体系,从而能够使得该压裂液具备优异的粘弹性能和稳定性能的同时,兼具良好的流变性能和耐剪切性能。
第三方面,本申请实施例还提供一种清洁压裂液的制备方法,优选包括:
使所述清洁压裂液组合物的各组分按照所述配比溶解于溶剂中,超声,即得所述清洁压裂液。其中,所述溶剂优选为地层清水。
本申请实施例提供的制备方法能够使得各组分充分分散并交联,从而形成具备超分子结构的表面活性剂体系,使得各组分充分发挥各自性能的同时产生协同增效作用。
第四方面,本申请实施例还提供第二方面所述清洁压裂液在低渗透油气储层的压裂作业中的应用。其中,基于上文所述清洁压裂液具备优异的粘弹性能和稳定性能的同时,兼具良好的流变性能和耐剪切性能。因此,该清洁压裂液用于低渗透油气储层的压裂作业之后,能够有效提高低渗透油气藏生产能力和油气井采收率。
下面将结合具体实施例对本申请的技术方案作进一步地阐述。
实施例1
本实施例提供一种清洁压裂液VES1的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、谷氨酸、芥酸酰基谷氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:3mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES1。
实施例2
本实施例提供一种清洁压裂液VES2的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、甘氨酸、芥酸酰基谷氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:3mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES2。
实施例3
本实施例提供一种清洁压裂液VES3的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、谷氨酸、芥酸酰基甘氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:5mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES3。
实施例4
本实施例提供一种清洁压裂液VES4的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、天冬氨酸、芥酸酰基肌氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:5mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES4。
实施例5
本实施例提供一种清洁压裂液VES5的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、天冬氨酸、芥酸酰基肌氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:3mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES5。
实施例6
本实施例提供一种清洁压裂液VES6的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、天冬氨酸、芥酸酰基肌氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:4mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES6。
实施例7
本实施例提供一种清洁压裂液VES7的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、甘氨酸、芥酸酰基甘氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:5mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES7。
实施例8
本实施例提供一种清洁压裂液VES8的制备方法,具体包括:
室温下,将芥酸基酰丙基二甲胺、谷氨酸、芥酸酰基谷氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱按照摩尔浓度比为12mM:4.5mM:12mM:5mM超声溶解于清水中,即得清洁压裂液VES8。
对上述所制备的清洁压裂液VES1-VES8进行剪切性能测试,实验条件:室温下,170S-1剪切速率下,在HAAKER RS600流变仪上分别记录0min和60min时压裂液样品的粘度(mPa·S),测试结果如表1所示。
表1清洁压裂液VES1-VES8粘度测试
根据表1可知,本申请实施例1-8制备的清洁压裂液VES1-VES8均表现出很好的粘度性能,说明本申请通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱的复配能够有效增强清洁压裂液的粘度性能。其中,实施例4-6制备的清洁压裂液相较于其他实施例清洁压裂液能够表现出更好的粘度性能,并且随着芥酸基酰胺丙基甜菜碱的含量占比的提高其粘度性能更好,说明芥酸基酰丙基二甲胺、天冬氨酸、芥酸酰基肌氨酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱复配的清洁压裂液的粘度性能更好。
为验证实施例1-8制备的清洁压裂液VES1-VES8与地层水的配伍性能,本申请将清洁压裂液VES1-VES8与矿化度为50g/L的模拟地层水分别按照体积比为1:2、1:1、2:1的比例混合之后,依次在室温和60℃的温度下静置12h,观察混合液的状态变化,从而评价清洁压裂液与地层水的配伍性能。
结果显示:清洁压裂液VES1-VES8与矿化度为50g/L的模拟地层水按照不同体积比混合之后,室温下静置12h没有出现沉淀、絮凝现象;清洁压裂液VES1-VES8与矿化度为50g/L的模拟地层水按照不同体积比混合之后,60℃的温度下静置12h也没有出现沉淀、絮凝现象。说明实施例1-8制备的清洁压裂液VES1-VES8均与地层水配伍性能良好。
为进一步说明本申请清洁压裂液的复配性能,本申请研究实施例4的复配组分对清洁压裂液性能的影响,具体根据表2所述复配体系制备了清洁压DVES1-DVES5,其中,制备方法同实施例1-8。
表2-清洁压裂液DVES1-DVES5的复配体系
将实施例1-8制备的清洁压裂液VES1-VES8和对比例1-5制备的清洁压裂液DVES1-DVES5分别进行抗剪切性能测试。具体方法为:室温下,测试剪切速率从0.001-100S-1时的压裂液粘度变化,结果为图1至图2所示。其中,图1为清洁压裂液VES1-VES8的剪切粘度曲线图;图2为清洁压裂液DVES1-DVES5的剪切粘度曲线图。
根据图1可知,清洁压裂液VES1-VES8的最大剪切粘度量级为104-105mPa·S,并且剪切粘度均随剪切速率的规律性变化。其中,清洁压裂液VES1-VES3、VES7-VES8相比于清洁压裂液VES4-VES6,其最大剪切粘度量级相对较低,说明本申请通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱的四元复配制备的压裂液具备优异的抗剪切性能。
根据图2可知,清洁压裂液DVES1-DVES5的最大剪切粘度量级为101mPa·S,并且剪切粘度均随剪切速率的规律性变化。其中,清洁压裂液DVES3-DVES5相比于清洁压裂液DVES1-DVES2,其剪切粘度变化较慢,说明复配组分中同时加入芥酸酰丙基二甲胺和氨基酸能够有效提高清洁压裂液的抗剪切性能。而复配组分中只含芥酸酰丙基二甲胺或氨基酸中的一种时,清洁压裂液的抗剪切性能相对较低,说明本申请通过氨基酸分子中的羧基与芥酸酰丙基二甲胺分子中交联作用的形成阳离子特性的双子结构的表面活性剂是提高清洁压裂液抗剪切性能的关键。
另外,清洁压裂液VES1-VES8的最大剪切粘度均明显高于清洁压裂液DVES1-DVES5,说明本申请通过芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱进行四元复配能够显著增强压裂液的粘弹性。其原因可能为:本申请通过四元复配形成的超分子结构的表面活性剂具备更优异的粘弹性能。
本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述,各个实施方式之间相同或相似的部分可互相参见,每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对本申请限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种清洁压裂液组合物,其特征在于,包括芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱。
2.根据权利要求1所述的清洁压裂液组合物,其特征在于,所述清洁压裂液组合物的组成为:
芥酸酰丙基二甲胺、氨基酸、芥酸酰基氨基酸钠和芥酸基酰胺丙基甜菜碱,且所述芥酸酰丙基二甲胺、所述氨基酸、所述芥酸酰基氨基酸钠和所述芥酸基酰胺丙基甜菜碱的摩尔比为12:4.5:12:3-5。
3.根据权利要求1或2所述的清洁压裂液组合物,其特征在于,所述芥酸酰丙基二甲胺为式[i]所示化合物:
其中,R1为芥酸基烷基。
4.根据权利要求1或2所述的清洁压裂液组合物,其特征在于,所述氨基酸为天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸等氨基酸中的任一种。
5.根据权利要求1或2所述的清洁压裂液组合物,其特征在于,所述芥酸酰基氨基酸钠为芥酸酰基肌氨酸钠、芥酸酰基甘氨酸钠、芥酸酰基谷氨酸钠等芥酸酰基氨基酸钠中的任一种。
6.根据权利要求1或2所述的清洁压裂液组合物,其特征在于,所述芥酸基酰胺丙基甜菜碱为式[ii]所示化合物:
其中,R2为芥酸基烷基。
7.一种清洁压裂液,其特征在于,是以权利要求1-6任一所述清洁压裂液组合物作为有效成分制成。
8.一种根据权利要求7所述的清洁压裂液的制备方法,其特征在于,使所述清洁压裂液组合物的各组分按照配比溶解于溶剂中,超声,即得所述清洁压裂液。
9.一种根据权利要求7所述清洁压裂液在低渗透油气储层的压裂作业中的应用。
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